УСТРОЙСТВО ДЛЯ РОТАЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ Российский патент 2000 года по МПК A61N5/10 

Изобретение относится к области медицинской аппаратуры, а именно к устройствам для ротационной лучевой терапии.

Для ротационной лучевой терапии широко используют устройства, содержащие источник частиц (инжектор электронов), линейный ускоритель электронов (оснащенный одной ускоряющей секцией), одну систему поворота пучка (направляющую пучок в изоцентр) и сканирующую пучок систему. Все перечисленные элементы в виде единой жесткой, сохраняющей неизменным расположение элементов относительно друг друга, конструкции (моноблок) размещают в консоли. Консоль одним концом закрепляют на одном конце ортогональной консоли штанге (с противовесом), а на противоположном конце штанги размещают узел вращения консоли - другими словами узел вращения устройства со всеми элементами, перечисленными выше, через который все устройство для лучевой терапии вращают с помощью электропривода вокруг горизонтально расположенной, параллельной продольной оси консоли, оси, которую называют осью ротации моноблока. На этой же линии (оси) расположен автономный стол пациента. Тем самым достигается возможность облучения пациента (изоцентра) с разных направлений, что позволяет сформировать предписанное (заданное в соответствии с выбранным курсом лечения) дозное поле. При этом источник высокочастотной энергии, который снабжает ВЧ-энергией ускоряющую секцию, установлен в несущей (стационарной) конструкции (станине) данного устройства для ротационной терапии; подачу ВЧ-энергии осуществляют по подводящему волноводу, содержащему расположенный на оси ротации моноблока в узле вращения консоли шарнирное волноводное соединение (ВЧ-узел ротации); подводящий волновод соединяет подвижную (вращающуюся) часть устройства для лучевой терапии (моноблок) и стационарную его часть (станину) и обеспечивает передачу ВЧ-энергии в линейный ускоритель электронов. (Линейный ускоритель КЛИНАК 2100C, Спецификация оборудования, VARIAN, RAD 2026C, Five Arts (Printers) Ltd., UK или Varian Clinac 2500 -Radiotherapy Linear Accelerator, Instruction, Palo-Alto, CA 94303, USA), 1989.

Известно устройство для ротационной лучевой терапии, содержащее циклический ускоритель ионов, например протонов, систему вывода пучка заряженных частиц, систему разводки пучков и гантри (gantry); гантри и обеспечивает возможность направлять пучок с любого относительно оси вращения гантри направления в изоцентр, в котором размещают подлежащий облучению объем. Такое устройство - циклический ускоритель совместно с гантри и трактом доставки пучка к гантри является сложным, громоздким и дорогостоящим инженерно- техническим сооружением (The TERA Project and Centre for Oncological Hadron-Therapy, ed. U.Amaldy and M.Silary, INFN-LNF Divisione Ricerca SIS - Ufficio Pubblicazioni, I-00044 Frascati (Roma) Italy, p.p. 50-51, 80-87, 112-113; figs. 1.19, 1.20, 1.30, 1.38a, 1.38b, 1.47), 1994.

Известно устройство для ротационной лучевой терапии, содержащее источник частиц (инжектор протонов), многосекционный на кратных частотах линейный ускоритель протонов на стоячей волне с использованием для ускорения протонов прямой пространственной гармоники, устройство, соединяющее низко- и высокоэнергетическую секции этого ускорителя (содержащего в свою очередь нескольких узлов поворота пучка для перевода пучка из низкоэнергетической секции в высокоэнергетическую) и отдельную систему ротации пучка - гантри, оснащенную сканирующей пучок системой. Синхронизацию частот ВЧ-источников, используемых для запитки ускоряющих секций, и фазирование процессов во всех секциях ускорителя осуществляют известными методами с применением задающего генератора. Все перечисленные элементы в данном устройстве, за исключением гантри, стационарны (неподвижны). Вращение гантри позволяет осуществлять ротацию пучка вокруг пациента и направлять пучок с любого, ортогонального оси ротации гантри, направления в изоцентр, в котором и размещают, подлежащий облучению объем (ibid., р. 62 fig. 1.24) - прототип.

Использование ускорителей ионов (протонов) позволяет подвести необходимую высокую радиационную дозу к опухоли без существенного повреждения нормальных тканей, т. е. сформировать дозное предписанное поле, максимально соответствующее конфигурации, например, опухоли (ibid., р.30 fig. 1.30, р.36 fig. 1.14).

Однако ионные устройства для ротационной терапии имеют существенный недостаток - большие габариты и сложность (многоагрегатность) конструкции в целом. Стоимость ионных устройств для ротационной терапии чрезвычайно велика.

В прототипе, как и в случае использования медицинского электронного ротационного ускорителя, устройство оснащено источником-инжектором ускоряемых частиц (в прототипе - протонов), линейным ускорителем с соответствующими системами ВЧ-питания (в электронном варианте одним клистроном, в протонном многосекционном варианте - несколькими клистронами, работающими на кратных частотах; в обоих случаях применяют тот или иной задающий генератор). В прототипе применены устройства, соединяющие низко- и высокоэнергетические секции линейного ускорителя (содержащие узлы поворота пучка для перевода пучка из низкоэнергетической секции в параллельно расположенную высокоэнергетическую секцию), и обособленная система гантри для поворота пучка в направлении, ортогональном направлению оси пучка в высокоэнергетической выходной (последней) секции. Гантри подсоединена к выходной высокоэнергетической секции линейного ускорителя через систему доставки пучка к гантри посредством вращающегося вакуумного узла. ВЧ-питание низкоэнергетической секции данного устройства выполнено на длинноволновой (метровой) длине волны и в силу этого и из-за использования обособленной, установленной в отдельном помещении, системы гантри устройство для ротационной ионной (протонной) лучевой терапии является весьма громоздким и дорогостоящим.

Габариты и вес медицинского ускорителя электронов для ротационной лучевой терапии не велики - его размещают как единое целое (моноблок) во вращающейся относительно оси ротации моноблока консоли, а ВЧ-питание единственной ускоряющей секции этого ускорителя осуществляют от стационарной станции ВЧ-питания (клистрона с предусилителями, модуляторами, синхронизаторами и т. п.) с подачей электромагнитной энергии высокой частоты (3000 МГц) по волноводу через размещаемый в узле ротации консоли на оси ротации ее (на оси ротации моноблока) элемент подачи ВЧ-энергии из стационарного (неподвижного) волновода во вращающийся волновод - т.н. шарнирное волноводное соединение (ibid., р.26 fig 1.6).

Устройство для ротационной терапии с ускорителем электронов является относительно дешевым по сравнению с устройством на базе ускорителя ионов, оснащенным низкочастотной низкоэнергетической секцией и обособленными системами разводки пучков и системами гантри.

Известно, однако, что используемые пучки электронов (а, следовательно, это и неотъемлемая характеристика устройства для ротационной терапии с потоками электронов и фотонов) плохо формируют предписанные дозные поля и при облучении пучком электронов (или фотонов) ткани, расположенные на пути пучка перед объемом, подлежащим облучению, и здоровые ткани вокруг этого объема также получают значительную радиационную дозу, и, кроме того, края пучка расплывчаты из-за сильного рассеивания этих частиц средой-телом пациента, через которую пучок проходит к облучаемому объему, в силу малости их массы, что затрудняет формирование четко очерченных сконцентророванных- сформированных дозных полей (ibid., р.24-32, 36; fig. 1.10, fig. 1.14).

Данное изобретение устраняет габаритные и стоимостные недостатки прототипа, сохраняет преимущества ротационной ионно-лучевой терапии, позволяет значительно снизить габариты и массу ионных устройств для ионной лучевой терапии при энергии протонов 70-300 МэВ.

Техническим результатом данного изобретения является создание компактного устройства для ионной (протонной) ротационной терапии, в том числе и для мобильных госпиталей.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник частиц (инжектор), многосекционный линейный ускоритель заряженных частиц на кратных частотах с параллельным переводом пучка из секции в секцию, систему поворота пучка с направлением его на изоцентр и систему сканирования пучка, указанные элементы выполняют в виде единой конструкции - моноблока, размещаемого в раме или в цилиндре, выполняющих функцию внутреннего кольца подшипника качения, и осуществляют вращение моноблока. При этом пациента размещают на продолжении оси ротации моноблока, а облучаемый объем размещают в изоцентре и производят облучение с различных направлений, формируя предписанные дозные поля. При этом каждую из секций ускорителя выполняют в виде набора ускоряющих модулей, выполненных на линейных переменного шага ускоряющих структурах; в низкоэнергетической секции применяют ускоряющие структуры на обратной гармонике дециметрового диапазона длин волн, и при этом в высокоэнергетической секции используют линейные ускоряющие структуры как на прямой или на обратной гармонике, так и на стоячей волне сантиметрового диапазона длин волн. При закреплении моноблока в раме на оси симметрии рамы размешают валы вращения рамы, а сами валы размещают в подшипниках качения. Подшипники размещают в опорах подшипников. Оси подшипников совпадают с осями валов вращения рамы. При другом варианте исполнения "внутреннего кольца подшипника качения" предлагаемого устройства - при размещении моноблока в цилиндре - в теле строительной конструкции размещают наружное кольцо (соосно с внутренним кольцом) так, что внутреннее и наружное кольца и направляющие (все равно какие - шариковые, роликовые, игольчатые или газовые, жидкостные) образуют подшипник, а совместно с электроприводом они образуют узел ротации предлагаемого устройства для ротационной лучевой терапии.

В заявленном устройстве кардинальное уменьшение размеров и массы аппаратуры достигнуто за счет разбиения ускорителя на низкоэнергетическую ускоряющую секцию с ВЧ-питанием дециметрового диапазона длин волн на линейных ускоряющих структурах и использованием для ускорения ионов обратной пространственной гармоники и высокоэнергетическую часть с ВЧ-питанием сантиметрового диапазона длин волн, при этом могут быть использованы линейные структуры как на обратной, так и на прямой гармонике бегущего электромагнитного поля, а также и структуры на стоячей волне. Процесс ускорения синхронизуют и фазируют с помощью задающего генератора обычным способом. Все элементы заявляемого устройства в виде моноблока размещают во внутреннем кольце подшипника качения; это "кольцо" может быть выполнено в виде рамы или цилиндра. Раму (цилиндр) поворачивают на необходимый угол поворота с помощью электропривода и таким образом направляют с любого заданного направления пучок ионов необходимой энергии в изоцентр, лежащий на оси ротации моноблока, в котором и размещают подлежащий облучению объем (пациента).

Систему высокочастотного питания низкоэнергетической ускоряющей секции выполняют в дециметровом диапазоне длин волн и при этом в кратном ему сантиметровом диапазоне длин волн выполняют высокочастотное питание высокоэнергетической ускоряющей секции.

Устройство для ротационной лучевой терапии содержит источник - инжектор 1 заряженных частиц (ионов), линейный ускоритель ионов 2, состоящий в свою очередь из низкоэнергетической ускоряющей секции 3 и высокоэнергетической ускоряющей секции 4, питаемых соответствующими высокочастотными на кратных частотах источниками 5 и 6, систему поворота пучка 7, направляющую пучок ускоренных частиц на изоцентр и установленную на выходном конце 8 высокоэнергетической секции 4, к которой подсоединена система сканирования пучка 9. Низкоэнергетическая 3 и высокоэнергетическая 4 секции могут состоять из набора модулей 10.1, 10.2 и 11.1, 11.2, 11.3 соответственно и все они могут быть смонтированы в виде единого моноблока 12. На схеме, показанной на фиг. 1, представлен вариант выполнения ускорителя с модулями 10.1 и 10.2 низкоэнергетической секции 3 и первым модулем 11.1 высокоэнергетической секции 4, выполненных на линейных структурах с обратной пространственной гармоникой, при этом второй модуль 11.2 высокоэнергетической секции 4 может быть выполнен на стоячей волне, а последней модуль 11.3 этой секции - на прямой гармонике. Соединение выходного модуля 10.2 низкоэнергетической ускоряющей секции 3 с входным модулем 11.1 высокоэнергетической секции 4 осуществляют через узел проводки пучка 14, выполненный в виде вакуумпровода для прохождения пучка и содержащий на входе и на выходе по однотипному узлу поворота пучка ускоренных частиц 15 и 16, соответственно оснащенных магнитами 18 и 19. Узел 15 жестко соединен с выходом последнего модуля 10.2 низкоэнергетической ускоряющей секции 3, а узел 16 жестко соединен со входом первого модуля 11.1 высокоэнергетической секции 4. Входы ВЧ-источников 5 и 6 соединены с задающим генератором 17, а выходы с соответствующими ускоряющими структурами. Ось пучка 20 в низкоэнергетической секции 3 и ось пучка 21 в высокоэнергетической секции 4 направлены параллельно. Моноблок 12 устанавливают (закрепляют) в раме 13 или в цилиндре 13' (фиг. 3). Рама снабжена валами вращения 26, размещаемыми в подшипниках качения 27, которые закреплены в опорах подшипников 28. Раму вращают с помощью электропривода 24. В варианте размещения моноблока в цилиндре 13' этот цилиндр устанавливают на направляющих 23 в вмонтированное в тело строительной конструкции наружное кольцо 25; цилиндр 13' также вращают с помощью электропривода 24.

На фиг. 2 представлен в разрезе пример выполнения заявляемого устройства по сечению узла проводки пучка 14, соединяющего низкоэнергетическую 3 и высокоэнергетическую 4 ускоряющие секции. Здесь 18 - магнит поворотного узла 15, расположенного на выходном конце выходного модуля 10.2 низкоэнергетической секции 3; 19 - магнит узла поворота 16, расположенного на входном конце входного модуля 11.1 высокоэнергетической секцией 4; 20 и 21 - проекции на плоскость чертежа осей ускоренного в низкоэнергетической 3 и высокоэнергетической 4 секциях пучка ионов, а 22 - проекция оси вращения моноблока 12 (рамы 13).

На фиг. 3 показан другой вариант размещения моноблока устройства для ротационной лучевой терапии в цилиндре 13'. Здесь 23 - направляющие подшипника, а 25 - наружное кольцо подшипника, так что элементы 13', 23, 25 являются подшипником качения, а совместно с электроприводом 24 они образуют узел ротации моноблока вокруг пациента (вокруг изоцентра).

Устройство работает следующим образом.

Пучок частиц, инжектируемый источником 1, под воздействием электромагнитных полей, создаваемых в ускоряющих структурах линейного ускорителя ионов 2 от синхронизованных, сфазированных и работающих на кратных частотах источников 5 и 6, ускоряют последовательно в модулях 10.1 и 10.2 низкоэнергетической секции 3, питаемой высокочастотным источником дециметрового диапазона длин волн 5 и направляют в узел поворота пучка 15. Магнитное поле магнита 18 поворачивает пучок и направляет его вдоль продольной оси узла проводки пучка 14, затем пучок поступает в узел поворота пучка 16, магнитное поле магнита 19 поворачивает пучок еще на 90^o и направляет пучок во входной модуль 11.1 высокоэнергетической ускоряющей секции 4, после чего пучок доускоряют в модулях 11.1, 11.2 и 11.3 до энергии, необходимой для облучения опухоли. Модули 11.1, 11.2, 11.3 запитывают более высокой, кратной частоте источника 5, частотой от источника высокочастотного питания 6. Допустима запитка ускоряющих секций через известные схемы компрессоров ВЧ-мощности. Из последнего модуля ускоряющей секции 3 пучок ионов, ускоренный до предписанной энергии, поступает в выходное поворотное 7 и сканирующее 9 устройства. Устройство 7 направляет пучок на объект облучения, а устройство 9 позволяет сформировать поле облучения строго по форме облучаемого объекта. При ротации моноблока 12 (рамы 13 или цилиндра 13') на предписанный угол по отношению к оси ротации 22 пучок облучает мишень с предписанного направления, что также применяется для формирования предписанного распределения дозного поля.

Таким образом, выполнение ротационного ионного ускорителя для лучевой терапии в виде высоко- и низкоэнергетической частот, запитываемых от ВЧ-источников санти- и дециметрового диапазона длин волн, и размещение их в моноблоке, монтируемом в подшипниках качения, позволяет впервые создать компактную ротационную установку для лучевой ионной терапии с габаритами, приемлемыми для широкой клинической практики и применения их в мобильных госпиталях.

Устройство используется в медицинской аппаратуре для проведения ротационной лучевой терапии. Устройство для ротационной лучевой терапии включает инжектор частиц, многосекционный линейный ускоритель заряженных частиц с высокочастотным питанием ускоряющих секций на кратных частотах и с размещением низко- и высокоэнергетической ускоряющих секций параллельно друг другу, систему высокочастотного питания ускоряющих секций, узел проводки пучка, системы поворота пучка, сканирующую выходной пучок систему и систему синхронизации и фазирования частот источников высокочастотного питания ускорителя. Ускоритель выполнен в виде единого моноблока в раме, снабженной валами вращения. Валы вращения размещены в подшипниках качения, закрепленных в опорах подшипников. Ускоряющие секции состоят из ускоряющих модулей, выполненных на линейных ускоряющих структурах. В другом варианте моноблок смонтирован в цилиндре, установленном на направляющих во вмонтированное в тело строительной конструкции наружное кольцо, образуя подшипник качения. Конструктивное выполнение моноблока позволяет значительно снизить габариты и вес ионных устройств. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ротационной лучевой терапии, содержащее инжектор частиц, многосекционный линейный ускоритель заряженных частиц с высокочастотным питанием ускоряющих секций на кратных частотах и с размещением низко- и высокоэнергетической ускоряющих секций параллельно друг другу, систему высокочастотного питания ускоряющих секций, узел проводки пучка, системы поворота пучка, сканирующую выходной пучок систему и систему синхронизации и фазирования частот источников высокочастотного питания ускорителя, отличающееся тем, что ускоритель выполнен в виде единого моноблока в раме, снабженной валами вращения, причем валы вращения размещены в подшипниках качения, закрепленных в опорах подшипников, при этом ускоряющие секции состоят из ускоряющих модулей, выполненных на линейных ускоряющих структурах. 2. Устройство для ротационной лучевой терапии по п.1, отличающееся тем, что система высокочастотного питания высокоэнергетической секции содержит компрессор высокочастотной мощности. 3. Устройство для ротационной лучевой терапии по пп.1 и 2, отличающееся тем, что каждый из ускоряющих модулей низкоэнергетической секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на обратной пространственной гармонике. 4. Устройство для ротационной лучевой терапии по пп.1 - 3, отличающееся тем, что ускоряющие модули высокоэнергетической секции выполнены на линейных ускоряющих структурах на прямой и/или обратной пространственной гармонике и/или на структурах на стоячей волне. 5. Устройство для ротационной лучевой терапии, содержащее инжектор частиц, многосекционный линейный ускоритель заряженных частиц с высокочастотным питанием ускоряющих секций на кратных частотах и с размещением низко- и высокоэнергетической ускоряющих секций параллельно друг другу, систему высокочастотного питания ускоряющих секций, узел проводки пучка, системы поворота пучка, сканирующую выходной пучок систему и систему синхронизации и фазирования частот источников высокочастотного питания ускорителя, отличающееся тем, что ускоритель выполнен в виде единого моноблока, смонтированного в цилиндре, который установлен на направляющих во вмонтированное в тело строительной конструкции наружное кольцо так, что образован подшипник качения для ротации ускорителя вокруг располагаемого на оси ротации моноблока объекта облучения, и при этом ускоряющие секции состоят из ускоряющих модулей, выполняемых на линейных ускоряющих структурах. 6. Устройство для ротационной лучевой терапии по п.5, отличающееся тем, что система высокочастотного питания высокоэнергетической секции содержит компрессор высокочастотной мощности. 7. Устройство для ротационной лучевой терапии по пп.5 и 6, отличающееся тем, что каждый из ускоряющих модулей низкоэнергетической секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на обратной пространственной гармонике. 8. Устройство для ротационной лучевой терапии по пп.5 - 7, отличающееся тем, что ускоряющие модули высокоэнергетической секции выполнены на линейных ускоряющих структурах на прямой и/или обратной пространственной гармонике и/или на структурах на стоячей волне.